基于PLC瓦斯抽采監控系統的應用研究

李旭浩

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400）

引言

煤炭是我國重要的發展資源，被應用于各行各業。煤礦企業在開采過程中由于瓦斯爆炸引發的事故較為頻繁，對生產人員的安全產生了極大的影響。影響瓦斯抽采工作的主要條件就是通風質量。隨著技術的發展，瓦斯抽取水平不斷提升。為了進一步提升瓦斯抽取效率，煤炭企業要加強通風系統的智能化改造，提高通風系統的運行效率，避免風量不足的現象發生。

1 瓦斯抽采監控系統的作用

在工業生產中，PLC和變頻器技術被廣泛應用于各行各業。根據瓦斯污染防治技術方案，采用PLC與變頻器技術相配合，通過調整電動機的速度，根據氣體質量的不同，可對局域式通風系統進行無極式變頻調速。這種方法既減少了風機的能量消耗，又節約了電力，還增強了瓦斯濃度的控制，滿足了安全生產的要求。此課題所研究的局部通風機智能調速系統，能夠對氣體濃度進行自動調節，并能對氣體濃度進行超限時報警，切斷和閉合電力供應。通過采取強化通風等措施，減少瓦斯聚集，通過斷電報警等措施，防止煤氣中毒，達到安全高效的目的。

2 PLC技術結合變頻技術的特點

1）具有較高的穩定性和良好的抗干擾性。在設計、制作及元器件選擇方面，采用了一套精選、高度集成化、大容量的方法，以增加元器件的使用壽命，增加了電路的穩定性。

2）強大的控制能力，組成結構靈活。PLC不僅具有開關、模擬等多種性能，而且具有數字運算、PID調節等多種性能。

3）操作簡單便捷。PLC最大的優勢在于它具有豐富的程序編制方法，不僅易于理解，還可用于原先從事電氣控制方面的工程人員，而語句表比較適合從事單片機方面的技術人員，更容易被大部分的工程人員接受。

4）體積小、易于維修和使用。PLC的特點是：小巧、輕巧、方便搬運、容易就地安裝。該系統還具有自動檢測功能，能自動檢測出設備的缺陷，便于操作工人進行設備的檢修和保養。

3 礦井局部通風機瓦斯控制系統

3.1 故障監控系統

設置電動機的保護功能。電動機運行過程中若出現缺相、短路、過載等問題，則系統就會將故障信息傳送到監控分站，并配以漢字LCD顯示目前的工作狀況?？偨Y局部通風機主要功能如圖1所示。

圖1 局部通風機主要功能

3.2 模糊控制器原理

在實際應用中，為了求解某些困難的、具有較高精度的非線性系統，采用了一種基于模糊控制器的方法。所以，如何進行模糊控制就成為了關鍵。為了達到控制目的，需要解決下面三方面的問題：

1）系統中要求輸入量的模糊化，就是在一個特定的領域中產生一個模糊子集；

2）模糊控制算法的設計，歸納控制方法，根據模糊條件語言建立模糊控制規則，確定了其所確定的模糊關系；

3）通過對輸入數據進行模糊判定，將其轉化成準確的輸出。模糊控制器的基本原理如下頁圖2所示。

3.3 瓦斯濃度模糊控制器輸入輸出變量的確定

結合本課題局部通風機系統的具體情況，選擇二維模糊控制器。其控制器結構如下頁圖3所示。

圖2 模糊控制器的基本原理

圖3 二維模糊控制器

4 基于瓦斯涌出的礦井局部通風優化控制

4.1 方案一設計

為了達到瓦斯電鎖閉的目的，可以對配電裝置進行改進。系統可選用BGP系列礦用隔爆型高壓真空配電設備，該裝置不具備氣體電阻鎖定的能力，但具有短路、過載、漏電、隔離監控等多種安全防護措施。在這些設備中，隔離監控裝置主要監控著高壓屏蔽線纜的接地和監控線路的狀態。當采用這種特性時，分配設備負載接線室中的末端電阻器RA與電纜端子的接地和監控線路連接，其動作特點如表1所示。

表1 保護工作動作特征

假定當前開采的煤層氣體在一定的范圍之內，此時關閉了開閉機，采礦作業區將采用隔離式的高電壓真空分配設備供電。從上面的數據可以看出，目前的常開式接觸沒有被打開，配電網運行良好，所有的安全防護都是正確的。當煤層中的氣體含量超出了礦井的安全限度時，經常打開的接線將關閉，末端電阻器會發生短路，從而導致上部的壓力降低。JK接線將不能被切斷，而斷路器也會處于關閉狀態，礦井內的電力供應將會中斷。變電站員工根據監控燈光狀態判定是否存在瓦斯超標，才能進行下一階段的作業。

4.2 方案二設計

通過增加JDQB-1J設備，可以通過此系統對電磁開關進行瓦斯電鎖定。本設備的設計包括雙局部通風機的自動開關，風電瓦斯鎖閉電路，本安輸入、輸出接口，顯示電路和電源電路組成。JDQB-1J型裝置工作原理圖如圖4所示。

圖4 JDQB-1J型裝置工作原理框圖

1）輸入端使用光耦回路，將本機的控制模式傳送到設備的內部。

2）本設備的主要工作部分包括雙局部通風機自動切換電路與風電瓦斯鎖閉電路，雙局部通風機切換電路，其局部通風機通常采用PLC控制，可同時控制總、后備式的開關；風電瓦斯鎖閉電路可以使作業上不具有實質安全性的電力供應全部關閉。該裝置的輸入控制終端是從基本安全性的入口界面電路經由瓦斯密度傳感器界面電路來訪問的，采用風電瓦斯閉鎖邏輯模塊，實現對礦井供電和通風系統的開斷和關閉。

3）其他電路包括本質安全輸入接口電路、本質安全輸出接口電路、局部通風機開停接口電路以及工作面電源鎖閉信號回送電路。

4）該設備使用雙路供電電源，控制電路采用12 V供電，本質安全輸入接口電路采用15 V本質安全電源。

5）本設備具有實時監控功能，可實時監控局部通風機開、停機、工作面電源斷開、局部通風機鎖閉等操作。

5 控制系統設計及試驗研究

5.1 PLC接線

該系統采用了西門子S7-200系列中的CPU224，為了達到瓦斯濃度的模擬量控制，本裝置由14個數字量輸入端子和10個數字量輸出端子，外加一個模擬量模塊EM235。PLC的I/O端口地址分布表如下頁表2所示。

5.2 電抗器安裝

當電力供應側電壓較高時，或開關電容時，會使電力系統的電壓波動較大，造成整流元件的損傷。為此，選擇FR-HAL作為一種新型的電容。

5.3 試驗驗證與分析

試驗內容包括三個方面，分別為在不同瓦斯濃度條件下，風扇送風口控制功能的測試，超限封閉報警功能測試，系統故障報警及故障檢測。在完成了硬件電路的接線及軟件程序的輸入后，對其進行了以下的測試：

表2 PLC的的I/O地址分配

1）當瓦斯含量改變時，局部通風器能否自行調整；

2）在氣流回流時，能否實現局部通風系統的自動調整。

實驗結果：將瓦斯壓力加到瓦斯密度計的封閉罐內，當瓦斯的質量分數超過1.0%時，說明煤層內氣體含量超標。這時電動機的最大速度是1 840 r/min；在調節電位器時，電動機的旋轉速度為840 r/min，表明該風機的風壓調節性能符合規定。

5.4 瓦斯超限閉鎖與報警測試

1）在進風巷瓦斯濃度大于0.5%時，該裝置能否通過局域式通風裝置進行警報，并能使煤氣發生位置鎖定。實驗結果表明，電機停轉，并發出警報。

2）當瓦斯濃度大于1.0%時，回風流中瓦斯濃度大于1.0%時，局部通風機系統能否達到自動關閉的目的。實驗結果表明，電機停轉，并發出警報。

6 結語

煤炭企業要進一步重視瓦斯抽采工作質量，提升抽采效率，加強抽采質量。PLC技術能夠促進該目標的實現，值得在企業中推廣。通過多種技術的協調，能夠保證生產安全，促進節能工作開展，必須得到足夠的重視。